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2021年 第42卷 第9期    刊出日期：2021-09-10

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高等学校化学学报2021年第42卷第9期封面和目次

2021, 42(9):  1. 

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相关文章 | 多维度评价

综合评述

多功能金属石墨纳米囊的生物医学应用进展

朱兆田, 李圣凯, 宋明慧, 蔡芯琪, 宋志灵, 陈龙, 陈卓

2021, 42(9):  2701-2716.  doi:10.7503/cjcu20210118

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多功能金属石墨纳米囊由于其良好的稳定性和独特的理化性质, 在生物医学领域受到了广泛关注. 利用石墨烯外壳独特的拉曼散射特征峰作为拉曼标签或者内标, 结合等离子体纳米核优异的表面增强拉曼散射(SERS)和双光子发光(TPL)性能, 可实现SERS生物分析以及肿瘤细胞或组织的Raman/TPL双模成像. 利用表面积大的石墨烯外壳作为药物负载平台, 结合等离子体纳米核的近红外光吸收能力, 可实现光介导的病原菌杀灭以及肿瘤细胞或实体瘤的热疗与化疗的协同治疗. 此外, 利用石墨烯外壳优异的荧光猝灭性能, 还实现了生物分子的荧光检测; 利用磁性纳米核独特的磁学性能, 可实现生物样品的分离和富集、 细菌的原位磁共振成像检测以及磁靶向胃部口服药物的递送. 本综述首先介绍了金属石墨纳米囊的制备、 分类和性质, 然后概述了它们在生物检测、 生物成像和治疗3个方面的应用进展, 并进一步总结了它们的发展现状包括生物毒性和生物医学应用的优缺点, 最后对其在生物医学领域的发展方向做出了展望. 我们期望多功能的金属石墨纳米囊能够为今后的临床生物医学应用提供可靠的纳米平台.



无机化学

基于能量传递可调光色荧光粉Ca₂LaTaO₆∶ Dy³⁺, Sm³⁺的发光性质及其发光二极管器件应用

袁博, 祁超超, 张相挺, 栾国颜, 邹海峰

2021, 42(9):  2717-2724.  doi:10.7503/cjcu20210380

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通过固相反应法设计了Dy³⁺, Sm³⁺共掺杂双钙钛矿结构Ca₂LaTaO₆(CLTO)光色可调的白光发光二极管(LED)荧光粉. 通过Rietveld精修计算, 确定了Ca₂LaTaO₆的晶体结构参数和Dy³⁺, Sm³⁺离子的晶格占位, 并用密度泛函理论(DFT)计算了禁带宽度. 激发/发射光谱和荧光衰减行为证实了共掺杂体系中Dy³⁺到Sm³⁺的能量传递. Dy³⁺→Sm³⁺的能量传递机制为电偶极-电偶极相互作用, 离子间的临界距离为1.176 nm. 基于Dy³⁺→Sm³⁺的能量传递, 可通过调节Dy³⁺/Sm³⁺离子的掺杂浓度比, 使发光颜色从黄色转变为黄红色, 并实现白光发射. 利用该荧光粉与紫外芯片结合制作成白光发光二极管器件, 并确定了这些LED器件的发光效率、 CIE色度坐标、 相关色温(CCT)和显色指数(CRI)等. 结果表明, 这些荧光粉在紫外激发的白光LED中具有潜在的应用价值.



新型Ce³⁺掺杂亚磷酸锰开放骨架材料的合成与荧光性质

洪洋宇, 邢宏珠, 秉琦明, 高旭文, 齐斌, 陈亚坤, 苏钽, 邹勃

2021, 42(9):  2725-2733.  doi:10.7503/cjcu20210115

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通过高通量实验方法制备了一系列新型的Ce³⁺离子掺杂亚磷酸锰(NH₄)₄[Mn_4-xCe_x(HPO₃)₆](简称JIS-10∶xCe³⁺) 无机开放骨架材料. 通过粉末X射线衍射(PXRD)谱图、 扫描电子显微镜(SEM)、 微量元素能谱(EDS)、 X射线光电子能谱(XPS)、 傅里叶变换红外(FTIR)光谱和光致发光(PL)光谱等手段对该材料进行了表征, 并研究了Ce³⁺离子掺杂浓度、 反应温度和时间对晶体相变和发光性能的影响. 结果表明, 在波长260 nm的光激发下, Ce³⁺离子在500 nm处有1个绿光发射带而Mn²⁺离子在590 nm处有1个黄光发射带. 调变JIS-10∶xCe³⁺材料中Ce³⁺离子的掺杂浓度发现, 当x=0.06^{时, 即Ce3+离子的掺杂浓度较低时, 样品的发射颜色为黄绿色, 其CIE坐标为(0.38, 0.48); 当Ce3+离子的掺杂浓度增加时, 绿色发光带的增长快于黄色发光带的增长, 从而调整发射颜色; 在x=1.33时观察到最强的发射, 浓度过高发生浓度猝灭.}



介孔磷钨酸铯盐的液相组装及酸性研究

王美银, 黄道丰, 陈欣, 周俊夫, 任远航, 叶林, 岳斌, 贺鹤勇

2021, 42(9):  2734-2741.  doi:10.7503/cjcu20210102

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以磷钨酸(H₃PW₁₂O₄₀)和氯化铯(CsCl)为原料, 两亲型三嵌段共聚物F127为模板剂, 按不同的Cs/P比制备了一系列介孔磷钨酸铯盐(Cs_xH_3-xPW₁₂O₄₀, m-CsPW). 通过X射线粉末衍射(XRD)、 场发射扫描电子显微镜(FESEM)、 场发射透射电子显微镜(FETEM)、 N₂吸附-脱附测试和小角X射线散射(SAXS)等手段对所得样品进行了表征. 结果表明, 样品是由纳米微晶组装而成的晶态介孔材料. 以三甲基膦为探针分子, 通过³¹P魔角旋转固体核磁共振波谱(³¹P MAS NMR)测定了样品酸处理前后的酸密度和酸强度. 以5,7-二羟基-4-甲基香豆素的Pechmann缩合反应为模型反应, 考察了样品的酸性质与催化活性之间的关系.



液相酸溶液后补钛合成Ti-MWW分子筛

罗强强, 金少青, 孙洪敏, 杨为民

2021, 42(9):  2742-2751.  doi:10.7503/cjcu20210070

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首先在含钠体系硼酸与哌啶用量较少的条件下水热合成B-MWW分子筛前驱体, 然后对其进行液相酸溶液后补钛, 合成了高结晶度的Ti-MWW分子筛. 利用粉末X射线衍射、 氮气吸附-脱附分析、 紫外-可见漫反射光谱和紫外拉曼光谱等技术考察了硅钛比、 温度等后补钛参数对所合成Ti-MWW分子筛的织构性质、 钛物种周围配位环境及催化1-己烯环氧化性能的影响, 确定适宜液相后补钛的硅钛比为30, 温度为373 K. 并且发现, 在后补钛体系中添加少量氟化铵可显著提高所合成Ti-MWW分子筛对1-己烯环氧化的催化活性. 本研究不仅证实了酸处理Ti-MWW分子筛前驱体的脱硼补钛机制, 也为Ti-MWW分子筛的合成提供了一种新的方法与思路.



分析化学

车前草中黄酮类成分结构和性质的理论研究

黄罗仪, 翁约约, 黄旭慧, 王朝杰

2021, 42(9):  2752-2765.  doi:10.7503/cjcu20210180

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采用密度泛函理论中ωB97XD/6-311+G(2d,p)方法对车前草中的黄酮类化合物进行量化计算研究, 探讨了该类化合物的构效关系. 首先研究了13种车前草中提取的黄酮类化合物(1~13)和已成药的二氢杨梅素(14)的几何结构、 谱学性质及电子结构, 再运用概念密度泛函理论进行反应指数分析, 最后利用药代动力学平台开展了成药性评价. 根据几何结构的分析结果初步推测14种黄酮类化合物的抗氧化能力强弱顺序为10>12≈ 7>13>6>4>14≈9≈8>11>5>3≈2>1. 核磁共振拟合结果表明, 利用该方法得到的核磁位移理论值与实验值吻合度较高(R²>0.95). 分子表面静电势图显示, 14种黄酮类化合物的静电势的极小值点都位于羰基氧附近, 极大值点都位于羟基氢附近, 且B环上对位羟基的极大值>C环和A环羟基极大值. 全局反应性描述符结果显示, 化合物1, 2, 4, 11和12的化学势较低, 电负性、 亲电指数和硬度较高, 说明这5种化合物的稳定性和反应性较好. 通过局部反应性描述符进一步预测了14种黄酮类化合物的亲核/亲电反应位点. 药代动力学结果显示, 化合物1, 3, 4, 6, 12和13的成药性和药代动力学活性较好. 研究结果表明, 化合物4和12最有成药潜力, 可进行更深入的实验研究.



有机化学

新型异喹啉衍生物的设计合成及抑菌活性

左怀龙, 雷思敏, 张锐, 李玉新, 陈伟

2021, 42(9):  2766-2771.  doi:10.7503/cjcu20210313

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利用仿生合成的策略, 通过合理的药效团拼接, 将二苯醚结构单元引入3,4-二氢异喹啉母核中, 设计合成了15个新型的异喹啉衍生物； 经核磁共振波谱和高分辨质谱确定了其结构. 离体抑菌活性测试结果显示, 在50 mg/L的测试浓度下, 化合物Ic, Ie和Il对苹果轮纹病菌和小麦纹枯病菌的抑制率均超过93.0%, 优于血根碱并与百菌清相当. 化合物Il对小麦赤霉病菌的抑菌率为83.3%, 远优于血根碱(64.2%)和百菌清(57.7%). 另外, 化合物Il对5种病菌的抑制率高于血根碱.



Na₂CO₃催化的叠氮三甲基硅烷对δ-三氟甲基-δ-芳基取代对亚甲基苯醌的1,6-共轭加成: 高效构建含三氟甲基和叠氮取代的二芳基甲烷化合物

刘华铮, 潘小光, 李华, 万仁忠, 刘希功

2021, 42(9):  2772-2781.  doi:10.7503/cjcu20210297

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报道了一种高效的δ-三氟甲基-δ-芳基-取代对亚甲基苯醌的叠氮化芳基化反应. 以Na₂CO₃为催化剂, 叠氮三甲基硅烷与δ-三氟甲基-δ-芳基取代对亚甲基苯醌发生1,6-共轭加成反应, 以优异的分离产率(90%~96%)获得了结构多样的含有三氟甲基和叠氮取代的二芳基甲烷化合物.该反应具有良好的底物适用范围和官能团兼容性.



由醋酸去氢表雄酮合成熊去氧胆酸

陈旺, 胡代花, 刘格歌

2021, 42(9):  2782-2788.  doi:10.7503/cjcu20210277

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探索了用植物源商业原料合成熊去氧胆酸的新方法. 以醋酸去氢表雄酮为原料, 以区域选择性烯丙位氧化、 Mistunbu反应和Luche还原为关键步骤, 通过9步反应, 以38.6%的总收率合成了熊去氧胆酸. 其中, 关键中间体4由化合物3经改进的烯丙位氧化反应以较高产率获得. 对关键的烯丙基氧化反应的条件进行了优化, 包括溶剂、 氧化剂和反应温度. 该方法原料易得、 产率较高, 并且有效地避免了动物源性原料的风险, 易于实现规模化合成, 因而具有较高的应用价值.



含苹果酸酯的石蒜碱衍生物的合成及生物活性

赵莹, 乔玲, 赵国锋, 陈莉

2021, 42(9):  2789-2797.  doi:10.7503/cjcu20210264

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以具有生理活性的石蒜碱为先导化合物, 设计、 合成了几种含取代苹果酸酯片段的石蒜碱衍生物. 所有新化合物均通过核磁共振波谱、 质谱、 旋光光谱及圆二色光谱进行了结构表征. 抗肿瘤活性初步研究结果表明, 含取代苹果酸酯的石蒜碱类似物在保持石蒜碱抗肿瘤活性的同时, 对正常细胞的毒性显著下降, 此结果为新型高效、 低毒石蒜碱类化合物的设计奠定了基础.



基于钯铜催化合成靛红类化合物的新方法

郭阳, 林凯, 谢凯强, 刘晟

2021, 42(9):  2798-2804.  doi:10.7503/cjcu20210260

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发展了一种合成靛红的新方法, 并进行了底物扩展, 得到了一系列靛红类化合物. 以N-烷基取代的丙烯酰苯胺类化合物为原料, 在醋酸钯、 碘化亚铜和氧气的催化及参与下, 以42%~87%的产率合成了N-烷基化的靛红衍生物. 利用该方法制备了23个靛红类化合物, 并提出了可能的反应机理. 该合成路线减少了保护基的使用, 简洁高效.



Sc(OTf)₃催化δ⁃腈基对亚甲基苯醌的1,6⁃共轭烯丙基化: 烯丙基二芳基乙腈类化合物的合成

胡串串, 庞靖祥, 贺闯闯, 李伟, 孙书涛

2021, 42(9):  2805-2814.  doi:10.7503/cjcu20210215

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将三氟甲烷磺酸钪[Sc(OTf)₃]用于催化δ-腈基-δ-芳基取代的对亚甲基苯醌与烯丙基硅烷的1,6-共轭加成反应, 快速制备了一系列含有四级碳中心的烯丙基取代二芳基乙腈类化合物. 该反应操作简单、 条件温和, 具有了良好的底物范围和官能团兼容性, 同时腈基和烯丙基可进行后期衍生化, 展示出良好的适用性.



含能增塑剂2, 2-偕二硝基丙基三氟丙酸酯的合成及性能

赵宝东, 刘亚静, 潘永飞, 刘卫孝, 高福磊, 汪营磊

2021, 42(9):  2815-2823.  doi:10.7503/cjcu20210137

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以硝基乙烷为原料, 经缩合、 氧化及酯化反应, 设计合成了含能增塑剂2,2-偕二硝基丙基三氟丙酸酯(DNPTFP); 利用核磁共振波谱、 红外光谱和元素分析对其结构进行了表征. 优化了DNPTFP的合成工艺, 确定酯化反应的较佳反应条件： 以甲苯为反应溶剂, n(2,2-偕二硝基丙醇)∶n(三氟丙酸)=1∶1.10, 催化剂浓硫酸的质量分数为5.0%, 反应温度110 ℃, 反应时间10 h. 在此条件下, DNPTFP的收率和纯度分别为75.2%和99.0%. 热分析测试结果表明, DNPTFP的玻璃化转变温度为-80.5 ℃, 热分解温度为267.59 ℃; 机械感度测试结果表明, DNPTFP的撞击感度为H₅₀=125.9 cm, 摩擦感度为0, 说明DNPTFP具有良好的低温性能、 热稳定性及较低的机械感度. 此外, 相溶性试验、 黏度及玻璃化转变温度测试结果表明, DNPTFP与聚叠氮缩水甘油醚(GAP)相溶性良好, DNPTFP可显著调控GAP的黏度和玻璃化转变温度, 并且随其含量增加黏流活化能逐步降低, 增塑效率逐步升高. 因此, DNPTFP对GAP展现出优良的增塑效果, 在GAP基火炸药配方中有良好的应用前景.



物理化学

海胆针状金纳米颗粒用于电催化二氧化碳还原

张想, 谢旭岚, 熊力堃, 彭扬

2021, 42(9):  2824-2831.  doi:10.7503/cjcu20210408

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采用不加表面活性剂的种子介导生长策略合成了具有针状结构的金纳米颗粒, 其针尖处的尖端电场效应能有效富集电解质阳离子并提高二氧化碳局部浓度, 从而提高催化剂的电流密度和一氧化碳选择性, 在 -0.6 V(vs. RHE)时的法拉第效率可以达到96%. 电化学性能测试结果表明, 其高选择性不仅来源于丰富的表面缺陷, 更主要源于其独特的针状结构所带来的尖端电场效应.



Cu-SAPO-18催化剂氨选择性催化还原NO_x钾中毒机理的研究

孟繁伟, 高琦, 叶青, 李晨曦

2021, 42(9):  2832-2841.  doi:10.7503/cjcu20210360

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研究了不同水热老化温度对钾(K)中毒0.4K-Cu-SAPO-18样品的结构及其NH₃-SCR(NH₃作为还原剂的选择性还原技术)催化活性的影响. 结果表明, K中毒对样品结构影响较小, 但明显降低了其NH₃-SCR性能, 在350 ℃ 时, K中毒样品0.4K-Cu-SAPO-18的NO转化率为65.88%, 明显低于未中毒Cu-SAPO-18样品的90.85%. 水热老化温度明显影响催化剂的结构, 减少了活性位点， 降低了表面酸性. 随着水热老化温度升高, 催化剂的AEI结构被破坏, 活性物种数量降低, 催化活性明显下降. 氢气程序升温还原 (H₂-TPR)结果表明, 孤立的Cu²⁺和Cu⁺的总量分别从未中毒Cu-SAPO-18样品的66.61和1.32 μmol/g变化到K中毒0.4K-Cu-SAPO-18样品的39.52和101.96 μmol/g, 表明K中毒样品中孤立Cu²⁺ 容易转化为Cu₂O. K中毒后, 样品的弱酸、 中强酸、 强酸性位点的数量降低, 分别从未中毒Cu-SAPO-18样品的0.201, 0.103和0.302 mmol/g降低到中毒0.4K-Cu-SAPO-18样品的0.102, 0.086和0.071 mmol/g. 氨气程序升温脱附(NH₃-TPD)和原位红外结果表明, K竞争性地取代了催化剂中孤立的Cu²⁺和H⁺, 使K中毒0.4K-Cu-SAPO-18样品的活性位和酸性位减少, 导致催化活性下降. 在低温 NH₃-SCR反应中, K中毒和未中毒样品均以Eley-Rideal(E-R)和Langmuir-Hinshelwood(L-H)机理进行, 而L-H机理占主导地位, 但K中毒样品的反应速率明显降低.



Sc, Ti, V修饰B/N掺杂单缺陷石墨烯的储氢研究

马丽娟, 高升启, 荣祎斐, 贾建峰, 武海顺

2021, 42(9):  2842-2851.  doi:10.7503/cjcu20210354

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3d过渡金属修饰是改善石墨烯储氢性能的最有效途径, 但仍存在金属团聚和H₂解离导致难以脱附的问题. 提出了B/N掺杂单缺陷石墨烯(BMG/NMG)的策略来避免以上两个问题. 密度泛函理论计算结果表明, N掺杂可以使Sc, Ti, V与石墨烯的结合能提高3~4倍, B掺杂可以将Sc与石墨烯的结合能提高3倍. Sc/BMG和Sc/NMG吸附的第一个H₂不会解离. Sc/BMG中Sc吸附5个H₂, 平均氢分子结合能为-0.18～-0.43 eV, 并且可以通过在同侧锚定多个Sc原子形成Sc/C₃B₂五元环增加H₂吸附位点. Sc/NMG中每个Sc吸附6个H₂, 平均氢分子结合能为-0.17～-0.29 eV, 还可以通过在异侧修饰形成Sc/N₃/Sc单元进一步提高储氢能力. 研究结果将为设计基于3d过渡金属修饰碳材料的储氢材料提供理论基础.



萘基相互连接的多孔碳纳米囊的制备及超电容性能

魏雨晨, 武婷婷, 杨磊, 金碧玉, 李宏强, 何孝军

2021, 42(9):  2852-2860.  doi:10.7503/cjcu20210336

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以萘为碳源, 采用MgO模板诱导耦合KOH裁剪技术制备了相互连接的多孔碳纳米囊(ICNC). 结果表明所制备的ICNC₂具有大的比表面积(1811 m²/g)、 高的压实密度(1.38 g/cm³)和微孔孔容含量(58.93%). 在对称的超级电容器(SC)中, ICNC₂电极的体积比容在不同电流密度下分别高达420.8 F/cm³(0.069 A/cm³)和315 F/cm³(27.6 A/cm³), 容量保持率为74.82%. 在38 W/L功率密度下, ICNC₂基SC的体积能量密度为14.6 W?h/L. 经过20000次循环后, 其体积比容仅衰减1.4%, 库伦效率为99.1%, 为从萘基小分子制备储能用功能碳材料提供了一种可行的方法.



一种双锂盐梳状聚合物电解质的制备及电化学性能

杨英杰, 张晓蓉, 孙玉雪, 刘军, 谢海明

2021, 42(9):  2861-2868.  doi:10.7503/cjcu20210309

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将聚乙二醇单甲醚(MPEG)接枝在聚(异丁烯-alt-马来酸酐)(PIAMA)上合成梳状锂单离子导体PIAMA-g-MPEG, 并与双(三氟甲基磺酰)亚胺锂(LiTFSI)复合制成双锂盐梳状聚合物电解质薄膜. 用核磁共振波谱 (¹H NMR)、 热重分析(TG)、 扫描电子显微镜(SEM)、 电化学阻抗(EIS)和电池充放电测试等方法对聚合物基体和电解质的物化性质和电化学性能进行了研究.结果表明, 设计的双锂盐梳状聚合物电解质能够有效解离并传输锂离子, 70 ℃下离子迁移数(t_Li⁺)为0.32, 离子电导率(σ)为1.5×10^-4 S/cm, 电化学稳定窗口为0~4.9 V (vs. Li/Li⁺). 组装Li|PIAMA-g-MPEG|Li电池并进行70 ℃恒电流充放电电压极化测试, 结果表明, 电解质与金属锂负极兼容性较好, 能够有效抑制锂枝晶的生长.组装LiFePO₄|PIAMA-g-MPEG|Li电池进行70 ℃长循环及倍率性能测试, 电解质表现出了优异的高温性能.



A位缺陷对La-Sr-Co-O钙钛矿结构和催化氧化性能的影响

高中楠, 郭丽红, 赵东越, 李新刚

2021, 42(9):  2869-2877.  doi:10.7503/cjcu20210311

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采用柠檬酸络合法制备La-Sr-Co-O钙钛矿, 通过酸处理溶解Sr离子, 得到了相应的A位缺陷钙钛矿. 采用X射线衍射(XRD)、 X射线吸收精细结构(XAFS)、 电感耦合等离子体原子发射光谱(ICP-OES)、 X 射线光电子能谱(XPS)和拉曼光谱(Raman)等表征技术考察了A位缺陷钙钛矿的晶体结构、 配位环境及表面电子结构等性质, 通过CO氧化和NO氧化活性测试评价了A位缺陷钙钛矿的催化性能. 结果表明, 简单酸处理有选择性地改造了Sr富集区, 溶解了SrCO₃ 以及大部分SrO. 钙钛矿主体结构基本不变, 局域结构中Sr(A位)的缺位造成Co离子以Co₃O₄形式溶出, 并形成了更多的氧缺陷, 有效地活化了晶格氧物种, 因此其在CO氧化和NO氧化反应中均表现出更优异的低温活性.



电中性团簇MCu₂O_x(M=Cu²⁺, Ce⁴⁺, Zr⁴⁺)上甲烷和二氧化碳直接合成乙酸的理论研究

钟声广, 夏文生, 张庆红, 万惠霖

2021, 42(9):  2878-2885.  doi:10.7503/cjcu20210282

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采用密度泛函理论(DFT)方法研究了电中性团簇MCu₂O_x(M=Cu²⁺, Ce⁴⁺, Zr⁴⁺; x=3, 4)的特性及其对甲烷和二氧化碳直接合成乙酸反应的影响. 结果表明, 团簇催化的反应由甲烷C—H活化、 二氧化碳插入引起C-C偶联、 CH₃COO转向和氢迁移4步构成. 前两步为关键步骤, C—H和C-C各自与团簇活性位点间形成四中心结构并推动反应进行. 电子自甲烷流出到团簇, 再流入二氧化碳, 使甲烷的C—H和二氧化碳的C=O得以活化, 继而驱动C-C偶联. Ce, Zr引入至氧化铜团簇中后, 团簇由原有的六元环结构衍变为六元环Ⅰ、 掺杂原子分别位于中心和端末的双四元环Ⅱ和Ⅲ 3种结构. 团簇结构和电子自旋均会影响反应的进行. 低自旋团簇有利于甲烷 C—H活化, 而高自旋团簇则有利于C-C偶联; 在3种掺杂团簇结构中, 处于三重态的结构Ⅲ团簇可以较好地兼顾C—H活化和C-C偶联. 通过比较相同结构发现, Ce, Zr掺杂调变了氧化铜团簇活性位点的局域电荷, 虽使其对甲烷C—H活化的能力略有下降, 但却显著降低了C-C偶联反应的活化自由能垒, 从而促进了反应的进行. 掺杂原子Zr的助剂作用比Ce要大.



复合材料NiO_x-ZSM-5的制备及微生物电解池催化析氢性能

高晓乐, 王家信, 李志芳, 李艳春, 杨冬花

2021, 42(9):  2886-2895.  doi:10.7503/cjcu20210258

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在Na₂O-TPABr-Al₂O₃-SiO₂-H₂O溶胶体系中加入碳球, 采用水热晶化法合成ZSM-5分子筛载体, 负载镍盐制备复合材料NiO_x-ZSM-5. 利用X射线衍射(XRD)、 扫描电子显微镜(SEM)、 透射电子显微镜(TEM)、 X射线光电子能谱(XPS)、 氮气吸附-脱附和电化学测试等手段对样品进行表征, 利用微生物电解池(MEC)评价其催化析氢性能. 结果表明, 在碳球作用下ZSM-5分子筛为纳米粒子聚集的椭球形貌, 介孔比表面积和介孔孔容明显增加. 浸渍焙烧后的黑色斑点NiO_x覆盖在晶隙形成的介孔表面和分子筛的表面. 相比于纯NiO, 镍盐浸渍量为40%的复合材料中多价态镍氧的吸收峰向高结合能方向移动, 多价态镍、 铝原子和氧空位活性位数量明显 增多, 显著提高了复合材料的电催化活性, 使其具有较高电流密度(8.45 mA/cm²)和较低起始析氢过电位 (151 mV), 优于NiO电极. 在MEC运行周期内, 复合材料的平均析氢电流密度为(28.64±7.4) A/m², 总产气量为(52.67±1.64) mL, H₂纯度为(89.07±0.06)%, 略高于商用Pt/C电极[(89.05±0.05)%], 产氢效率(0.571 m³?m^-3?d^-1)和库仑效率[(76.7±5.4)%]与Pt/C阴极相近, 表明复合材料是一种低成本和高效率的析氢材料.



双功能复合材料g-C₃N₄/CdS/Ni催化光解水产氢和5-羟甲基糠醛氧化性能

李晨晨, 那永

2021, 42(9):  2896-2903.  doi:10.7503/cjcu20210255

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采用高温煅烧法、 原位生长法和光还原法分三步制备出双功能复合光催化剂g-C₃N₄/CdS/Ni. 材料中CdS的引入可以增强光生电子和空穴的分离效率, Ni可以进一步提高光致产氢速率. 在以三乙醇胺(TEOA)为电子给体的水溶液中对所制备的材料进行了催化产氢性能测试, 并对材料中CdS的含量进行了优化. 结果表明, 25% (质量分数)CdS负载量的复合材料催化产氢性能最佳, 其催化产氢速率为4134.5 μmol·g^-1·h^-1, 是 g-C₃N₄/Ni催化产氢速率的115倍. 且Ni是一种良好的质子催化剂. 在此基础上, 以5-羟甲基糠醛(HMF)替代TEOA作为体系的电子给体, 其可以被选择性地催化氧化为增值化学品2, 5-二甲酰基呋喃(DFF). 当体系中HMF的转化率为82.3%, DFF的选择性为69.4%时, DFF的产率(57.2%)达到最高, 体系中H₂的产量为 51.8 μmol/g. g-C₃N₄/CdS/Ni复合材料可以在同一体系中进行催化光致产氢和HMF的选择性氧化.



氧化锆湿凝胶中乙酰丙酮配体的脱除机理及气凝胶复合材料的制备

李占峰, 刘本学, 刘晓婵, 王新强, 张晶, 于诗摩, 赵新富, 张新恩, 伊希斌

2021, 42(9):  2904-2910.  doi:10.7503/cjcu20210254

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利用正硅酸四甲酯、 正硅酸四乙酯、 硼酸三乙酯浸泡聚乙酰丙酮合锆湿凝胶, 通过红外光谱(IR)、 元素分析(EA)、 X射线光电子能谱(XPS)和色谱-质谱联用(GC-MS) 等技术证实了有机硅(硼)烷浸泡湿凝胶可加速乙酰丙酮配体的脱除, 并推断了相关反应机理. 利用正硅酸四甲酯浸泡聚乙酰丙酮合锆湿凝胶显著强化了 凝胶骨架, 通过低成本干燥技术可以获得纳米多孔、 高比表面积的ZrO₂气凝胶. 在石英纤维增强的ZrO₂气凝胶复合材料中, 纤维骨架进一步阻止了干燥收缩, 微波干燥即可获得超轻质石英纤维/二氧化锆气凝胶复合材料(SFZA), 稳态平板测试结果表明, 其在1000 ℃下的导热系数最低可至0.042 W?m^-1?K^-1, 1200 ℃下导热系数最低可至0.063 W?m^-1?K^-1.



有机盐PTO(KPD)₂作为高性能锂离子电池正极材料的研究

鲍俊全, 郑仕兵, 苑旭明, 史金强, 孙田将, 梁静

2021, 42(9):  2911-2918.  doi:10.7503/cjcu20210248

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采用溶剂热反应合成了一种新型的有机盐材料芘四酮-二均苯四甲酸二酰亚胺二钾盐PTO(KPD)₂. 该材料作为锂离子电池正极时, 表现出优异的循环和倍率性能. 研究结果表明, 在50 mA/g电流密度下, PTO(KPD)₂的实际放电比容量达到255.8 mA·h/g; 在500 mA/g电流密度下循环800次后, 容量保持率为81.1%. PTO(KPD)₂盐结构的形成提高了分子极性, 大大降低了其在电解液中的溶解度, 使得材料表现出优异的电化学性能.



电子电镀铜新体系中添加剂对铜电沉积及镀层结构的影响机制

李威青, 金磊, 杨家强, 王赵云, 杨防祖, 詹东平, 田中群

2021, 42(9):  2919-2925.  doi:10.7503/cjcu20210225

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以低主盐浓度、 弱碱性、 复合配位的柠檬酸盐电子电镀铜新体系为研究对象, 阐明了新型添加剂XNS(聚胺类化合物和含氮化合物的混合物)在新电沉积铜体系中的作用. 恒电流沉积实验结果表明, 添加剂XNS能够提高铜沉积的电流效率, 特别是在2.0 A/dm²电流密度下, 添加剂XNS使铜沉积电流效率达到95.4%, 提高了17.5%. 电化学实验的结果表明, 添加剂XNS改变了铜沉积的电极过程, 由原来的两步单电子还原过程 [Cu(Ⅱ)+e→Cu(Ⅰ)+e→Cu]转变为一步两电子还原过程[Cu(Ⅱ)+2e→Cu]. 虽然添加剂XNS呈现促进铜电沉积的特征, 即还原电流增大, 但铜镀层颗粒却更细小、 更致密均匀. 在2.0 A/dm²电流密度下, 铜镀层晶体结构由无添加剂时的(111)晶面重构为高择优取向的(200)晶面.



Z型 g-C₃N₄/Pt/TiO₂纳米管阵列复合电极的制备及光电氧化甲醇性能

徐晓龙, 方礼宁, 刘长宇, 刘敏超, 郏建波

2021, 42(9):  2926-2933.  doi:10.7503/cjcu20210155

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以NH₄Cl为气体模板吹制双氰胺制备g-C₃N₄纳米片, 并将其负载于Pt/TiO₂纳米管阵列(Pt/TiO₂ NTs)上, 制备了一种新型的Z型g-C₃N₄/Pt/TiO₂NTs复合电极材料. 通过扫描电子显微镜、 X射线衍射和X射线光电子能谱对该材料的结构进行了表征, 采用电化学和光电化学方法研究了材料的性能. 研究结果显示, 在可见光照射下, g-C₃N₄/Pt/TiO₂ NTs复合材料具有高效的光电氧化甲醇的性能. 该复合材料的高性能主要归因于以下两点： (1) g-C₃N₄与Pt/TiO₂NTs的结合有效扩展了其在可见光范围的吸收; (2) Z型电荷转移保留了具有强氧化能力的空穴和强还原能力的电子, 从而使光生中间体作用于电催化过程增强了甲醇氧化效率.



基底表面性质与前驱液化学环境对原位定向构筑钛硅分子筛膜的影响

李奕川, 朱国富, 王宇, 柴永明, 刘晨光, 何盛宝

2021, 42(9):  2934-2943.  doi:10.7503/cjcu20210092

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b取向MFI型分子筛膜能够显著促进分子的传输效率, 被广泛应用于混合物分离及催化领域. 虽然传统的原位水热晶化法已较为成熟, 然而仍难以调控膜层的b轴取向生长. 本文以304不锈钢片为基底, 采用经典的原位水热晶化法研究了基底表面物化性质、 前驱液配比及晶化条件对钛硅分子筛膜b轴取向生长的影响. 结果表明, TiO₂中间层表面的羟基能够定向诱导分子筛晶粒的吸附, 进而提高钛硅分子筛膜的b轴取向程度. 同时, 前驱液中模板剂和水含量对晶粒的大小及膜层的定向生长具有显著影响, 即仅在合适的碱度下才能形成高b轴取向的钛硅分子筛膜.



高分子化学

含叔丁基/异丁基二胺的可溶性透明聚酰亚胺的合成与性能

王寿柏, 吴修明, 吴锦明, 汤艳峰, 束辰, 钟敏, 黄卫, 颜德岳

2021, 42(9):  2944-2952.  doi:10.7503/cjcu20210327

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通过分子设计合成了异丁基桥联2-叔丁基苯胺的新型二胺单体4,4′-(2-异丁基)双(2-叔丁基苯胺), 并将其分别与4种商品化芳香族二酐经高温“一步法”缩聚制得了系列聚酰亚胺(PI)树脂. 采用多种测试手段研究PI的结构和性能, 结果表明, 该系列新型聚酰亚胺不但可溶于N-甲基吡咯烷酮及N,N-二甲基甲酰胺等高沸点溶剂, 而且在乙酸乙酯和三氯甲烷等低沸点溶剂中也具有良好的溶解性. 该系列PI保持了良好的热稳定性, 在N₂中5%热失重温度均在480 ℃以上, 玻璃化转变温度(T_g)介于307~356 ℃之间. 经溶液刮涂制得的PI薄膜具有良好的光学透明性, 在可见光区平均透过率可达82.3%~89.1%, 截止波长介于313~363 nm之间. 同时, 该系列PI薄膜还具有良好的机械性能和疏水性, 有望应用于光伏发电及柔性显示等领域.



复合材料柔软性对倒金字塔微结构阵列传感器性能的影响

赵凌云, 黄汉雄, 罗杜宇, 苏逢春

2021, 42(9):  2953-2960.  doi:10.7503/cjcu20210281

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采用模压成型方法制备了2种柔软性不同的热塑性聚氨酯/短切碳纤维/碳纳米管(TPU/SCF-CNT)复合材料复制物, 其表面上具有倒金字塔微结构阵列, 内部有SCF与CNT共同构成的导电通路. 将复合材料复制物和相应的复合材料平整片封装成柔性传感器. 结果表明, 压力作用下传感器内复制物和平整片之间的接触电阻因倒金字塔底棱的形变而显著降低. 对使用柔软性较高的复合材料封装的传感器, 虽然其相对迟滞稍大, 但压力作用下倒金字塔底棱形变量较大, 且复制物和平整片内导电通路增加量较大, 因此其在0~2.5 kPa的线性区内具有较高的灵敏度(0.32 kPa^?1). 制备的2种传感器均具有快速响应特性, 且能在500 s(约1580次)的循环压缩/释放测试(峰值压力约3 kPa)中保持较稳定的电阻响应. 研究表明, 利用模压成型的表面倒金字塔结构复合材料复制物封装成的柔性压力传感器具有良好的传感性能.



烷基功能化聚烯丙基缩水甘油醚的制备及对PVC的增塑及抗静电作用

张万斌, 王艳蒙, 王少武, 童欣, 韩小倩, 张策, 张光华, 朱秀忠

2021, 42(9):  2961-2967.  doi:10.7503/cjcu20210278

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利用阴离子开环聚合(AROP)及巯基-烯点击反应相结合的路线构筑了一种新型烷基功能化聚醚, 考察了其对聚氯乙烯(PVC)的增塑及抗静电作用. 首先, 以烯丙基缩水甘油醚为单体, 利用AROP制备聚烯丙基缩水甘油醚(PAGE)中间产物; 然后, 以PAGE为前驱体, 借助巯基-烯点击反应将柔性烷基引入其侧链, 获得烷基功能化聚烯丙基缩水甘油醚(PAGE_butane)目标产物. 核磁共振波谱(NMR)及凝胶渗透色谱(GPC)结果表明, 所得聚合物结构与设计一致, 且PAGE的分子量可通过改变单体与引发剂的投料比灵活调控. 热性能研究结果显示柔性烷基的键入导致PAGE的玻璃化转变温度(T_g)进一步降低. PAGE_butane的T_g为-74.97 ℃, 且具有较好的热稳定性. PAGE_butane在不损失PVC强度的同时可明显提升其韧性, 同时可有效降低其表面电阻率, 产生一定的抗静电效果. 与邻苯二甲酸二(2-乙基)己酯(DOP)增塑剂相比, PAGE_butane体现出更优异的耐抽出及耐挥发性.



聚苯乙烯微球负载脲催化剂与碱协同催化环内酯的开环聚合

马钰琨, 金慧, 任传利, 李志波

2021, 42(9):  2968-2973.  doi:10.7503/cjcu20210266

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通过环己基异氰酸酯和4-三氟甲基苯异氰酸酯分别与氨基化聚苯乙烯反应, 构筑了聚苯乙烯(PS)负载的环己基脲(PS-U₁)和聚苯乙烯负载的4-三氟甲基苯基脲催化剂(PS-U₂). 利用PS-U/KOMe二元催化体系协同催化环内酯的开环聚合. 结果表明, PS-U/KOMe二元体系可高效催化ε-己内酯(ε-CL)、 δ-戊内酯(δ-VL)和L-丙交酯(L-LA)的开环聚合, 制备了低催化剂残留且环境友好的聚酯材料; 同时实现了PS-U的回收及循环利用.



MCM-41分子筛负载氯化铝催化丙烯酸甲酯与1-辛烯共聚

李海勃, 肖长发, 江龙, 黄云, 淡宜

2021, 42(9):  2974-2981.  doi:10.7503/cjcu20210246

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以MCM-41分子筛负载氯化铝为催化剂, 催化丙烯酸甲酯与1-辛烯共聚合反应, 利用称重法测定聚合物产率, 利用核磁共振氢谱分析共聚物组成, 利用凝胶渗透色谱分析共聚物相对数均分子质量, 研究了聚合物产率和共聚物组成随聚合反应时间的变化规律, 考察了溶剂、 催化剂组成和催化剂用量对共聚合结果的影响及催化剂的循环使用性能. 结果表明, 聚合物产率随时间呈S形增长, 而共聚物组成随时间保持恒定, 与氯化铝催化体系规律一致; 溶剂由二氯甲烷改变为乙醇或二甲苯主要影响聚合物组成, 对聚合物相对数均分子质量及其分布影响不大; 催化剂中活性组分的增加有利于增加共聚物中1-辛烯单元的含量, 但对聚合物分子量及分子量分布影响不大; 催化剂中活性组分含量一定时, 随催化剂与单体摩尔比从0.125增加到0.5, 共聚物中1-辛烯单元含量增加, 继续增大催化剂用量不利于提高共聚物中1-辛烯单元含量. 催化剂重复使用3次后仍具有良好的催化活性, 将烯烃单元引入共聚物中, 获得1-辛烯单元摩尔分数达30.1%的聚(丙烯酸甲酯-co-1-辛烯)共聚物.



不同液体环境下聚丙烯酰胺的单分子力学

曹美琦, 刘霞, 崔树勋

2021, 42(9):  2982-2988.  doi:10.7503/cjcu20210241

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利用单分子力谱研究了非离子型聚丙烯酰胺(NPAM)及其水解产物阴离子型聚丙烯酰胺(APAM)在不同液体环境下的单链弹性. 利用改进的自由连接链(M-FJC)模型中的单链弹性模量参数(K₀)描述NPAM在不同pH值水溶液中的单链弹性. 实验结果表明, K₀随着溶液pH值增加而增大, 表明NPAM在碱性溶液中的水解度具有pH依赖性. 由于K₀和高分子链的净电荷正相关, K₀增大表明NPAM链净电荷增多, 结构单元之间的静电排斥作用增强使高分子链呈现高度伸展的构象. 在此基础上研究了APAM在不同pH值溶液中的构象, 单分子力谱数据表明, APAM在酸性水溶液中为柔性链, 在碱性水溶液中呈现较伸展的构象, 从而在分子水平上阐明APAM链构建的水凝胶网络的溶胀机理. 单分子层面的深入研究有望阐明这类高分子的减阻机理.



材料化学

三联噻吩衍生物功能化SiO₂反蛋白石光子晶体荧光薄膜的制备及应用

李然, 张旭东, 穆丽丹, 孙童, 艾刚刚, 沙夜龙, 张玉琦, 王记江

2021, 42(9):  2989-2995.  doi:10.7503/cjcu20210307

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将单分散聚苯乙烯微球乳液与SiO₂溶胶均匀混合后, 于恒温恒湿条件下, 竖直沉积共组装制备得到蛋白石型光子晶体薄膜, 然后利用牺牲模板法制得SiO₂反蛋白石光子晶体薄膜. 该薄膜依次经过浓硫酸与过氧化氢混合液、 3-氨丙基三甲氧基硅烷的甲苯溶液、 三联噻吩的三氯甲烷溶液和硼氢化钠的甲醇溶液处理后, 得到三联噻吩衍生物功能化的SiO₂反蛋白石光子晶体. 结果表明, 制备得到的光子晶体薄膜在512 nm处有荧光发射, 经紫外辐射后荧光猝灭, 甲醛气氛下458 nm处又出现新的荧光发射峰. 在甲醛气氛下20 s即可观察到荧光发射, 空气氛围下可恢复, 10次循环仍可保持强的荧光发射, 可重复性良好. 以无反蛋白石光子晶体结构的三联噻吩衍生物的平滑膜与甲醛作用的体系作为参比, 以330和400 nm聚苯乙烯微球为模板制备的三联噻吩功能化反蛋白石光子晶体, 在甲醛气氛中发射的荧光分别增强47.5和78.6倍. 这是由于光子晶体光子禁带的红带边和蓝带边与荧光发射波长相重叠, 产生了慢光子效应, 极大地增强了发射的荧光强度.



WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜的电致变色性能

江莉琪, 危科, 王浪, 肖厚地, 杨九香, 胡执一, 刘婧, 李昱, 吕明云, 苏宝连

2021, 42(9):  2996-3004.  doi:10.7503/cjcu20210131

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采用连续离子层吸附法在反蛋白石结构三氧化钨(IO-WO₃)薄膜表面引入导电聚合物聚苯胺(PANI)层, 制备了独特的WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜(IO-WO₃/PANI). 探究了IO-WO₃/PANI薄膜的形貌、 组成和电化学行为. 结果表明, 当电位扫描范围为-0.6~1.0 V时, IO-WO₃/PANI复合膜在不同电压状态下会呈现出4种不同的颜色, 分别为蓝色(1.0 V)、 绿色(0.2 V)、 浅绿色(0 V)和蓝紫色(-0.6 V). 与IO-WO₃薄膜相比, IO-WO₃/PANI复合膜的电致变色性能显著提高, 其着色与退色响应时间分别为3.8和6.14 s, 变色效率(CE)值为201.1 cm²/C. 电致变色性能的改善主要归因于WO₃与PANI形成给体-受体体系和核壳反蛋白石等级孔结构, 使得离子快速扩散, 并为电荷转移反应提供更大的表面积. 研究结果表明, IO-WO₃/PANI核壳结构反蛋白石薄膜是一种潜在的多色电致变色材料, 具有广阔的应用前景.